资源简介

(共38张PPT)
第3课
避障功能的调试—强化感知并优化算法
（清华大学版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
理解先进技术（如机器人避障）的普及对社会的潜在影响，包括对就业、生活质量和安全的影响。
学习如何运用数学方法优化算法和路径规划，鼓励尝试不同的算法与模型创新，探索多种解决方案以应对实际问题。
理解算法在解决避障问题中的重要性，能够设计和调整算法以提升机器人的智能响应能力。
了解传感器数据的来源及其重要性，学习如何收集、分析和处理环境感知数据。
02
新知导入
一个好的作品经过精雕细琢后,才会呈现它的价值与作用。制作项目作品的过程也是一样的,初步搭建好机器人的原型并不意味着作品完成了,我们还要在真实的情境中对作品“输入一控制一输出”各模块的性能进行调试,通过反馈结果不断进行优化,这样才能呈现一个好的作品,将之分拿到社区中才能更好地传承开源精神。
02
新知导入
需要对作品进行测试与优化。
02
新知导入
思考
机器人的避障功能在不同的环境下会有什么样的反馈效果呢
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
室内环境：家具布局复杂：如果家具排列密集，机器人可能会频繁检测到障碍物，导致导航缓慢或频繁改变方向。
室外环境：开放空间：在无障碍物的开阔地区，避障功能可以顺畅运行，导航效率较高。
动态环境：移动障碍物：如行人、动物等，避障系统需要实时更新信息并迅速作出反应，这要求算法具备较高的智能和灵活性。
02
新知导入
03
新知讲解
一、输入——环境感知不足
对于机器人的避障功能来说，感知环境中的障碍物是它的第一步，在未知或者部分未知的环境下，避障需要通过传感器获取周围环境信息。但在实际场景中使用传感器感知环境时会发现，有时传感器并不能很好地检测到障碍物，比如障碍物的位置、形态、大小不能确定时，靠单一的传感器检测往往不能得到较为确切的障碍物信息，如图3.3.1所示。
03
新知讲解
图3.3.1 机器人对于障碍物的感知不足
03
新知讲解
在真正应用的过程中，需要多种传感器相结合，然后对不同传感器采集到的数据进行交叉反馈，以及信息融合，从而保证机器人能够稳定可靠地工作。避障使用的传感器多种多样，各有不同的原理和特点，目前常见的主要有视觉传感器、激光传感器、红外传感器、超声波传感器等。以超声波避障机器人检测不到类似于桌腿的复杂轮廓为例，可以尝试增加红外探测传感器来解决这个问题，硬件模块介绍如图3.3.2所示。
检测传感器正前方障碍物的范围，可探测范围是0~4095。
图3.3.2 红外探测传感器
03
新知讲解
想要让机器人对环境的感知更加准确，可以增加传感器来对信息进行验证或增加冗余。例如给避障机器人增加红外探测传感器，置于前方时，可以扩大检测前方障碍物的范围；置于左、右两侧时，可以获得前方、左侧、右侧的环境信息，对移动环境有一个较为综合的判断，如图3.3.3所示。
图3.3.3
红外探测传感器置于不同位置的作用
03
新知讲解
以避障机器人在前方增加红外传感器为例，对应的程序设计如图3.3.4所示。
两个传感器都检测到障碍物
左转
图3.3.4 红外探测传感器置于前方时进行障碍物验证
02
新知导入
思考
将避障机器人置于真实的环境中进行测试，发现机器人在感知环境障碍物时还存在哪些问题？想一想：怎么做才能让机器人输入的信息更加准确？
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
问题：
动态障碍物：移动的障碍物可能导致机器人无法及时做出反应，增加碰撞风险。
传感器限制：传感器的视场范围、灵敏度和准确性可能不足以捕捉所有障碍物，尤其是在复杂或拥挤的环境中。
02
新知导入
思考
将避障机器人置于真实的环境中进行测试，发现机器人在感知环境障碍物时还存在哪些问题？想一想：怎么做才能让机器人输入的信息更加准确？
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
怎样更准确：
多传感器融合：结合激光雷达、摄像头、超声波传感器等多种传感器的数据，通过融合算法提高环境感知的准确性。
改进算法：采用先进的计算机视觉和深度学习技术进行障碍物检测，并使用快速且高效的算法来处理数据，减少延时。
03
新知讲解
二、控制与输出——算法的优化
除了要测试机器人的传感器对障碍物的感知是否准确之外，数据还要经过机器人主控板中的算法程序进行逻辑判断，从而决定机器人的动作，所以对于机器人能否有一个优秀的性能，算法的优化也至关重要。
03
新知讲解
实验活动
探究机器人避障的最佳距离
避障机器人检测到前方有障碍物时，设置机器人避障的距离值是一个需要研究的问题，距离过短会影响机器人的避障功能，距离过长在一定区域内会影响机器人的活动空间。
实验内容：探究机器人避障的最佳距离。
实验目的：为避障机器人进行避障时，确定一个合适的距离阈值。
03
新知讲解
实验活动
表3.3.1 初始距离值测试
避障距离 /cm 该距离值偏小无法转向 该距离值偏大有较大空余
40cm √
实验步骤：
(1）先在程序设计中设定一个距离值，进行避障测试，观察避障效果，在表3.3.1中填写距离值，在对应结果处画"√"。
03
新知讲解
实验活动
表3.3.2 调整的距离值进行测试，并记录结果
距离 数值 能否正常避障
距离1 45cm 不能
距离2 50cm 不能
(2）根据步骤（1）的测试结果，以增加或减少固定距离值（例如+5cm或﹣5cm）继续测试，用来探测实际场景应用下的合适避障距离，以确保机器人的最优行动空间。填写表3.3.2。
03
新知讲解
实验活动
表3.3.2 调整的距离值进行测试，并记录结果（续表）
距离 数值 能否正常避障
距离3 55cm 不能
距离4 60cm 能
经过测试机器人避障的最短距离是 我认为它 ("是"或"不是"）最佳的避障距离，原因是
60cm
属于一个保守的避障距离且能保证安全。
是
03
新知讲解
在避障机器人的应用中，除了要调整合适的避障距离来触发机器人执行动作之外，在实际应用场景中，控制机器人转向时也会发现以下问题：机器人旋转时转速太快，以至于不能很顺利地找到无障碍物的道路；机器人只是单向旋转很难找到合适的通行道路，在障碍物较为集中的区域，机器人会卡死等，如图3.3.5所示。
图3.3.5 控制机器人转向可能会出现的问题
03
新知讲解
以调整机器人转速为例，在传感器检测到前方有障碍物时，算法程序设计会让机器人转向，此时可以通过调整后轮的左、右两个电机的转向和速度实现转向。有两种调整方式，一种是单个车轮旋转实现转向，另一种是两个车轮相对旋转实现转向。两种不同调整方式的算法设计如图3.3.6～图3.3.7所示。
图3.3.6 控制机器人单个车轮转向
03
新知讲解
图3.3.7 控制机器人两个车轮相对转向
经过测试后，会发现这两种控制车轮转向的方式各有特点，第一种单个车轮旋转实现转向，机器人转向可控性强，但摩擦力较大，不太灵活；第二种两个车轮相对旋转实现转向，机器人较为灵活，但可控性小，需要根据具体应用场景对算法进行优化。
04
课堂练习
实践
根据避障机器人在实际场景中的应用，调整算法设计优化机器人的避障性能，可以尝试从以下两个方面进行优化。
(1）机器人遇到障碍物后，先左、右分别转向进行障碍物判断，确定左侧或右侧没有障碍物后再选择左转或右转，实现机器人避障的最优选择。
(2）在障碍物较多的场景中，设置一个防卡死算法设计，当识别到左、右两侧都有障碍物时，机器人后退，脱离密集障碍物区域。
04
课堂练习
实践
在机器人的避障应用中，传感器采集的环境数据会控制机器人运动，而机器人的运动又会使传感器采集的环境数值发生变化，形成一个动态反馈的环路状态。对机器人的调试与优化就是在实验环境下维持和平衡这种状态，以达到最佳的使用效果。
05
拓展延伸
结构的优化
为什么机器人只使用了三个轮子呢？
因为机器人在前端使用了万向轮。万向轮就是所谓的活动脚轮，它的结构允许水平旋转360度。
05
拓展延伸
结构的优化
为什么用万向轮呢？使用4个车轮不可以吗？
机器人进行避障时，提供动力的只有两个车轮，加上另外两个车轮，转向时势必会增加车轮与地面的摩擦力，使运动不灵敏，另外，长此以往也会增加车轮的损耗。
05
拓展延伸
结构的优化
哦，所以才使用可以旋转360度的万向轮。
虽然万向轮转向易调整，但较高灵活性会引起机器人运动方向的不可控，还是需要根据实际情况进行测试才可以啊！
05
拓展延伸
机器人避障技术的现实意义
一、提高安全性
人机共存：在工业、商业和家庭环境中，机器人能够安全地与人类互动，降低意外碰撞和事故的风险。
环境监测：在一些危险或不易接近的环境（如矿山、灾后救援等）中，避障机器人可以有效地进行检测和作业，保护人类安全。
05
拓展延伸
机器人避障技术的现实意义
二、提升效率
自动化生产：在制造业中，机器人避障系统能够实现在动态环境中自我导航，提高生产效率和灵活性。
物流与配送：在仓储和配送中心，避障机器人可以优化货物搬运和运输流程，降低人力成本。
05
拓展延伸
机器人避障技术的现实意义
三、扩展应用范围
无人驾驶：在智能交通系统中，避障技术是无人驾驶汽车和自动化运输系统的核心，能大幅提升交通安全和效率。
服务机器人：在医疗、酒店、清洁等领域，服务机器人不仅能提供便利，还能有效避开障碍，实现灵活服务。
05
拓展延伸
机器人避障技术的现实意义
四、 促进技术进步
智慧城市：随着智能城市的概念发展，避障技术为城市环境的智能化提供支撑，促进智能交通、智能监控等系统的发展。
算法及感知能力的进步：避障技术的研究促进了计算机视觉、机器学习和人工智能等领域的技术发展。
06
活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 避障功能的调试—强化感知并优化算法
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 输入——环境感知不足、控制与输出——算法的优化
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：实验中经常出现机器人避障失败问题
改进的方法：注意传感器的选择以及数据算法的优化。
07
课堂总结
1
引入新知内容
避障功能的调试—强化感知并优化算法
2
进行避障实验并观察
3
对避障机器进行算法优化
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
08
板书设计
避障功能的调试—强化感知并优化算法
1.进行新知引入
2.进行避障实验并观察
3.对避障机器进行算法优化
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
09
课后作业
01
了解传感器对于避障功能的重要性。
09
课后作业
02
总结算法优化对于避障机器的重要性。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

展开更多......

收起↑